Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц часто называемая также фи́зикой высоких энергий или субъядерной физикой — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

Теоретическая ФЭЧ строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля. В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения определённого квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае их кванты могут превращаться друг в друга.

На сегодняшний день основным инструментом создания новых моделей в ФЭЧ является построение новых лагранжианов. Лагранжиан состоит из динамической части, которая описывает динамику свободного квантового поля (не взаимодействующего с другими полями), и частью, описывающей либо самодействие поля, либо взаимодействие с другими полями. Если полный лагранжиан динамической системы известен, то, согласно лагранжеву формализму КТП, можно выписать уравнения движения (эволюции) системы полей и пытаться решить эту систему.

Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение Стандартной модели физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10−18 м.

Перед физиками, работающими в области теоретической ФЭЧ, стоят две основные задачи: создание новых моделей для описания экспериментов и доведение предсказаний этих моделей (в том числе и Стандартной модели) до экспериментально проверяемых величин. Второй задачей занимается феноменология элементарных частиц.

Взаимодействие частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Так, действие элементарной частицы на саму себя, то есть самодействие, в ФЭЧ не учитывается. Классическая механика изучает движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако механизмы этого взаимодействия в классической механике не уточняются. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание как самим частицам, так и процессу их взаимодействия. Связано это с тем, что в ФЭЧ удаётся описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен виртуальными частицами. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.

Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире ещё одной скрытой симметрии: суперсимметрии. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия — в частицы.

Уже отсюда видна исключительная фундаментальность ФЭЧ — в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.

Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.

Ускорительная ФЭЧ — это разгон долгоживущих элементарных частиц в (ускорителе) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удаётся получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рождённых частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т. д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.

Неускорительная ФЭЧ — это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах исследуются элементарные частицы естественного происхождения. Типичные неускорительные эксперименты — наблюдение за нейтрино в так называемых нейтринных телескопах, поиск распада протона, безнейтринного двойного бета-распада и прочих крайне редких событий в большом объёме вещества, эксперименты с космическими лучами.